ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1998 года по МПК F01B9/02 F02B75/32 F16H21/18 

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно, к поршневым машинам и в частности, к механизмам поршневого привода. Устройство может быть использовано в насосах, компрессорах и двигателях внутреннего сгорания.

Известны аксиально-поршневые машины, используемые в качестве двигателей внутреннего сгорания, способные осуществлять изменение рабочего объема в цилиндрах с наличием постоянной либо регулируемой степени сжатия. Регулирование рабочего объема в цилиндрах машины осуществляется за счет изменения угла наклона качающейся шайбы, а поддержание постоянной либо регулируемой степени сжатия достигается реверсивным осевым перемещением центрально опоры с качающейся шайбой (1, 2).

Основным недостатком данной категории поршневых машин является сложность их конструкции, неудобство компоновки цилиндров для обслуживания и отсутствие преемственности традиционных поршневых машин, используемых в качестве двигателей внутреннего сгорания.

Известно устройство поршневой машины с изменяемым рабочим объемом, содержащее блок цилиндра с размещенными в них поршнями с шатунами, шарнирно связанными с ползунами, снабженными направляющими, разворачивающимися в картере. Устройство содержит коренной вал, состоящий из совокупности двухкривошипного коленчатого вала, кинематически связанного с шатунами поршней и с валами-дисками с кривошипными отверстиями, снабженными шестеренчатым механизмом синхронизации (3).

К недостаткам данного устройства поршневой машины относится сложность ее конструкции, переменность степени сжатия при изменении рабочего объема и низкий механический КПД вследствие постоянного трения ползунов о направляющие при работе.

Звездообразная компоновка цилиндров машины создает неудобство в обслуживании во время эксплуатации при использовании поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания для наземных транспортных средств.

Главной задачей изобретения является упрощение конструкции, повышение механического КПД, изменение рабочего объема с постоянной степенью сжатия и создание удобств при обслуживании.

Сущность изобретения заключается в том, что валы-диски с кривошипными отверстиями, являющиеся неотъемлемой частью коренного вала, снабжены шестеренчатым механизмом синхронизации, установлены в подшипниковых опорах качающейся люльки картера и кинематически связаны с валом его отбора мощности. При этом валы-диски с кривошипными отверстиями попарно связаны кинематически однокривошипными коленчатыми валами, снабженными синхронным механизмом их разворота и фиксации относительно валов-дисков с кривошипными отверстиями, общая ось вращения которых смещена относительно оси поворота люльки. Качающаяся люлька, установленная в коренных подшипниковых опорах картера, снабжена управляемым механизмом углового ее поворота.

Дополнительной задачей изобретения является создание упрощенной конструкции синхронного механизма разворота и фиксации однокривошипных коленчатых валов коренного вала относительно валов-дисков с кривошипными отверстиями.

Предлагается два варианта решения дополнительной задачи.

Сущность первого варианта решения дополнительной задачи заключается в том, что синхронный механизм разворота и фиксации однокривошипных коленчатых валов относительно валов-дисков с кривошипными отверстиями выполнен в виде планетарных передач, центральные колеса которых снабжены зубчатым венцом с внутренним и наружным зацеплением и свободно установлены на валах-дисках с кривошипными отверстиями, а сателлиты, взаимодействующие с внутренними зубьями центральных колес, жестко связаны с однокривошипными коленчатыми валами. Механизм синхронизации планетарных передач выполнен в виде общего вала с жестко установленными на нем зубчатыми колесами, находящимися в зацеплении с наружными зубьями центральных колес планетарных передач. При этом шестеренчатый механизм синхронизации планетарных передач и шестеренчатый механизм синхронизации валов-дисков с кривошипными отверстиями выполнены с одинаковым передаточным отношением и связаны между собой устройством относительного реверсивного углового смещения их зубчатых колес.

Устройство реверсивного относительного углового смещения зубчатых колес двух механизмов синхронизации коренного вала машины выполнено в виде аксиально-подвижного косозубого зубчатого колеса, установленного на шлицевом валу одного из механизмов синхронизации и находящегося в зацеплении с широковенцовым косозубым зубчатым колесом второго механизма синхронизации.

Второй вариант решения дополнительной задачи отличается от первого тем, что валы-диски с кривошипными отверстиями коренного вала вместо планетарных передач снабжены свободно-подвижными венцовыми зубчатыми колесами с шестеренчатым механизмом синхронизации и связаны с однокривошипными коленчатыми валами кривошипно-шатунными механизмами.

На фиг. 1 изображена развернутая кинематическая схема поршневой машины с изменяемым рабочим объемом и постоянной степенью ее сжатия; на фиг. 2 - кинематическая схема, поперечный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - развернутая кинематическая схема 2-го варианта качающейся люльки машины; на фиг. 4 - кинематическая схема, поперечный разрез Б-Б на фиг. 3.

Поршневая машина с регулируемым рабочим объемом и постоянной степенью сжатия, представленная на фиг. 1, 2, содержит картер 1 с цилиндрами 2, несущими поршни 3 с шатунами 4. В коренных подшипниковых опорах картера 1 установлена качающаяся люлька 5, в подшипниковых опорах которой расположены выходные 6 и промежуточные 7 валы-диски с кривошипными отверстиями коренного вала. При этом ось вращения выходных 6 и промежуточных 7 валов-дисков с кривошипными отверстиями смещена относительно оси поворота качающейся люльки 5 на величину r. На выходных 6 и промежуточных 7 валах-дисках с кривошипными отверстиями установлены подвижно центральные колеса 7 планетарных передач с зубчатым венцом внутреннего и наружного зацепления. Выходные 6 и промежуточные 7 валы-диски с кривошипными отверстиями попарно связаны кинематически однокривошипными коленчатыми валами 9, а промежуточные 7 валы-диски с кривошипными отверстиями попарно связаны кинематически однокривошипным коленчатым валом 10. На коренных шейках однокривошипных кривошипных коленчатых валов 9 и 10 жестко установлены сателлиты 11, находящиеся в зацеплении с подвижными центральными колесами 8 планетарных передач выходных и промежуточных 6, 7 валов-дисков с кривошипными отверстиями. Шатунные шейки однокривошипных коленчатых валов 9 и 10 кинематически связаны с шатунами 4. Зубчатые венцы 12 жестко установлены на выходных 6 и промежуточных 7 валах-дисках с кривошипными отверстиями, синхронная связь между которыми обеспечивается взаимодействием зубчатых венцов 12 с общим валом 14 посредством зубчатых колес 15. Синхронная связь между однокривошипными коленчатыми валами 9 и 10 обеспечивается посредством планетарных передач, центральных их зубчатых колес 8, взаимодействующих внешними зубьями с зубчатыми колесами 15 общего вала 16, используя промежуточные свободно-вращающиеся на валу 13 сдвоенные блоки шестерен 17. Таким образом выходные 6 и промежуточные 7 валы-диски с кривошипными отверстиями и однокривошипные коленчатые валы 9 и 10 качающейся люльки 5 снабжены шестеренчатыми механизмами синхронизации с одинаковыми передаточными отношениями. Механизм реверсивного относительного углового смещения общих валов 13 и 16 выполнен в виде аксиально-подвижного косозубого зубчатого колеса 18, установленного на шлицах общего вала 16 и находящегося в зацеплении с широковенцовым косозубым зубчатым колесом 19, жестко связанным с общим валом 13. Механизм перемещения аксиально-подвижного косозубого зубчатого колеса 18 по шлицам общего вала 16 на схеме не показан. Поворот люльки 5 в коренных подшипниковых опорах картера 1 осуществляется гидроцилиндром 20 посредством кривошипно-шатунного механизма 21. В подшипниковых опорах картера 1 соосно оси качания люльки 5 установлен вал отбора мощности 22 с зубчатым колесом внутреннего зацепления 23, кинематически связанным с шестерней 24, установленной на выходном валу-диске 6 с кривошипными отверстиями. Как следует из фиг.2, радиус вращения R шатунных шеек однокривошипых коленчатых валов 9 и 10 изменяется в зависимости от угла поворота α их кривошипов относительно выходных и промежуточных валов-дисков 6 и 7 с кривошипными отверстиями. Максимальный радиус вращения R шатунных шеек однокривошипных коленчатых валов 9 и 10 достигается при α = 0^° , что соответствует максимальному рабочему ходу поршней 3, а при α = 180^° рабочий ход поршней 3 становится минимальным. Постоянство степени сжатия при изменении рабочего объема обеспечивается изменением угла качания β люльки 5 относительно оси цилиндров поршневой машины.

Отличие кинематической схемы качающейся люльки, изображенной на фиг. 3, 4, от качающейся люльки 5, представленной на фиг. 1, 2, в составе поршневой машины заключается в том, что вместо планетарных передач на выходных и промежуточных валах-дисках колеса 25 с возможностью их относительного углового поворота. Венцовые зубчатые колеса 25 кинематически связаны с кривошипами однокривошипных коленчатых валов 9 шатунами 26. Однокривошипные коленчатые валы 10 связаны с венцовыми зубчатыми колесами 25 шатунами 26 с использованием дополнительных кривошипов 27.

Поршневая машина, представленная на фиг. 1, 2, работает следующим образом.

Одно из крайних положений аксиально-подвижного косозубого зубчатого колеса 18 фиксирует положение однокривошипных коленчатых валов 9 и 10 относительно выходных 6 и промежуточных 7 валов-дисков с кривошипными отверстиями, устанавливая максимальную величину радиуса вращения R шатунных шеек коренного вала машины. Максимальной величине радиуса вращения R шатунных шеек коренного вала соответствует определенный максимальный угол β наклона качающейся люльки 5. При этом поршневая машина работает как традиционная многоцилиндровая с кривошипно-шатунным механизмом, реализующая максимальный рабочий объем цилиндров с установленной степенью сжатия. Изменение рабочего объема поршневой машины осуществляется смещением аксиально-подвижного косозубого зубчатого колеса 18 механизмом перемещения, а стабилизация заданной степени сжатия обеспечивается уменьшением угла наклона β качающейся люльки 5 гидроцилиндром 20 с использованием кривошипно-шатунного механизма 21. Поршневая машина снабжена командаппаратом /на схеме не показан/ управления относительными перемещениями исполнительного механизма аксиально-подвижного колеса 18 и исполнительного штока гидроцилиндра 20. Закономерная связь между ними позволяет выдерживать заданную степень сжатия постоянной во всем интервале регулирования рабочего объема машины. Осевое перемещение аксиально-подвижного косозубого зубчатого колеса 18 приводит к относительному угловому смещению колес 14, 15, передавая его зубчатым венцам 12 и подвижным центральным зубчатым колесам 8 посредством общих валов 13, 16, зубчатых колес 14, 15 и промежуточных сдвоенных блоков шестерен 17. Относительное угловое смещение центральных зубчатых колес 8 и зубчатых венцов 12 преобразуется во вращательное движение сателлитов 11, разворачивающее относительно выходных 6 и промежуточных 7 валов-дисков с кривошипными отверстиями однокривошипные коленчатые валы 9 и 10, уменьшая радиус вращения шатунных шеек коренного вала. Уменьшение радиуса вращения шатунных шеек коренного вала приводит к уменьшению рабочего объема, сохранение заданной степени сжатия которого требует уменьшения угла наклона β качающейся люльки 5.

Работа поршневой машины с качающейся люлькой, представленной на фиг. 3, 4, ничем не отличается от описанной выше, изображенной на фиг. 1, 2. Однако, в работе синхронного механизма поворота и фиксации однокривошипных коленчатых валов коренного вала качающейся люльки 5 /см. фиг. 3, 4/ имеются серьезные отличия. Отличием является то, что при осевом смещении аксиально-подвижного колеса 18 разворот однокривошипных коленчатых валов 9 осуществляется при непосредственном участии их кривошипов, взаимодействующих посредством шатунов 26 с венцовыми зубчатыми колесами 25. Разворот однокривошипных коленчатых валов 10 производится посредством венцовых зубчатых колес 25 шатунов 26 и дополнительных кривошипов 27.

Источники информации:
1. Журнал "Изобретатель и рационализатор" N 5, 1994, с. 28.

2. Журнал "За рулем", 1991, с. 4 - 5.

3. В.Н. Болтинский "Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей", изд. сельскохозяйственной литературы, М, 1962, с. 117 - 128.

Машина может быть использована в качестве привода насосов и компрессоров и в качестве двигателя. Коренной вал расположен в подшипниковых опорах качающейся люльки картера, смещен относительно оси ее поворота и кинематически связан с валом отбора мощности поршневой машины. При этом кривошипы коренного вала выполнены с переменной величиной радиуса вращения, а сам коренной вал выполнен в виде валов-дисков с кривошипными коленчатыми валами, снабженными синхронным механизмом их разворота и фиксации относительно валов-дисков с кривошипными отверстиями. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции, повышение механического КПД, изменение рабочего объема с постоянной степенью сжатия, создание удобств при обслуживании. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Поршневая машина, содержащая блок-картер с рядным расположением цилиндров, размещенные в цилиндрах поршни с шатунами, механизм регулирования хода поршней и коренной вал, снабженный валами-дисками с кривошипными отверстиями, оснащенными шестеренчатым механизмом их синхронизации и кинематически связанным с шатунами поршней посредством коленчатого вала, отличающаяся тем, что валы-диски с кривошипными отверстиями расположены в подшипниковых опорах качающейся люльки и кинематически связаны с валом отбора мощности, размещенным в блоке-картере, а качающаяся люлька установлена в коренных подшипниковых опорах блока-картера и снабжена управляемым механизмом углового ее поворота, при этом общая ось вращения валов-дисков с кривошипными отверстиями смещена относительно оси поворота качающейся люльки, причем валы-диски с кривошипными отверстиями качающейся люльки попарно кинематически соединены однокривошипными коленчатыми валами, снабженными механизмами из разворота и связанными между собой шестеренчатым механизмом синхронизации, передаточное отношение которого равно передаточному отношению механизма синхронизации валов-дисков с кривошипными отверстиями, а механизм регулирования ходка поршней выполнен в виде устройства реверсивного относительного фиксированного углового смещения валов шестеренчатых механизмов синхронизации валов-дисков с кривошипными отверстиями и механизмов разворота однокривошипных коленчатых валов. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что механизмы разворота однокривошипных коленчатых валов выполнены в виде однорядных планетарных передач, содержащих центральные зубчатые колеса внутреннего зацепления, свободно установленные на валах-дисках с кривошипными отверстиями, а взаимодействующие с центральными зубчатыми колесами сателлиты жестко установлены на коренных шейках однокривошипных коленчатых валов. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что механизмы разворота однокривошипных коленчатых валов выполнены в виде кривошипно-шатунных механизмов с кривошипами, жестко установленными на однокривошипных коленчатых валах, и с шатунами, шарнирно связанными с венцовыми зубчатыми колесами, свободно установленными на валах-дисках с кривошипными отверстиями. 4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что устройство реверсивного относительного фиксированного углового смещения валов шестеренчатых механизмов синхронизации выполнено в виде аксиально-подвижной двухвенцовой вал-шестерни, один из зубчатых венцов которой находится в зацеплении с зубчатым колесом механизма синхронизации механизмов разворота однокривошипных коленчатых валов, а второй зубчатый венец вал-шестерни находится в зацеплении с зубчатым колесом механизма синхронизации валов-дисков с кривошипными отверстиями, при этом как минимум один из венцов двухвенцовой вал-шестерни выполнен косозубым.